基于故障观测器的可重构机械臂主动容错控制方法研究

发布时间：2017-09-17 12:38

  本文关键词：基于故障观测器的可重构机械臂主动容错控制方法研究

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【摘要】：由于机械臂技术的进步促使其应用的领域和范围正在不断扩展,人们希望机械臂能完成更加复杂的任务。运用重新编程,可以使传统的机械臂能够很容易地完成许多不同的任务,然而传统机械臂所能完成任务的范围却受其自身的机械结构限制。在此情况下,可重构机械臂的研究得到发展。可重构机械臂是能够按照特定任务,改变关节和连杆模块,构成任务所需求的构形。针对可重构机械臂这种新的机械臂构形可以开展的研究内容非常丰富,例如可重构机械臂运动学与动力学模型建立、模型建立后控制器的设计以及在子系统发生故障时的故障检测与容错控制等。现代工业的高速发展,使得任务要求越来越高,有些任务已经不适合人类直接完成。例如,深空探测、海底探测等高危任务都已是可重构机械臂取代人类完成。然而随着工作任务与控制系统的日益复杂,且可重构机械臂执行任务时长期处在极端的工作环境,导致其执行机构与传感机构不可避免的会发生某些故障。这类系统一旦其部分元器件发生故障,轻则引起系统失灵,重则造成人员伤亡或财产损失。以此为背景,设计一个安全可靠,能够在系统执行机构或传感机构部分发生故障时仍能使系统稳定运行的可重构机械臂系统,具有重要的意义。本文针对一类具有传感器和执行器故障的可重构机械臂系统,研究内容与工作如下:1.给出课题的研究背景意义,对可重构机械臂的国内外研究现状及主要研究内容进行简要概述。2.利用刚体的动力学方程几何公式得到模块子系统的动力学模型,在此基础上,采用机器人构形运动学描述,通过正向迭代(广义速度与加速度)和反向迭代(广义力)求出模块子系统的Newton-Euler方程。并针对子系统动力学模型的状态空间表达形式,给出传感器与执行器同时发生故障时的多故障子系统动力学模型。3.针对轨迹跟踪问题,设计一种基于自适应神经网络的可重构机械臂分散控制,利用神经网络函数逼近子系统的非线性项,应用自适应控制对神经网络逼近误差与子系统耦合项进行补偿。当可重构机械臂系统状态可测时,提出一种基于状态扩张观测器的自适应神经网络分散控制方法。基于状态扩张观测器估计值和Lyapunov稳定性理论设计自适应神经网络分散控制律,最后通过仿真研究验证了所提出方法的有效性。4.针对可重构机械臂各子系统的执行器与传感器故障,提出一种基于线性矩阵不等式(LMI)技术和H?性能指标的龙伯格观测器和动态输出反馈控制器。采用龙伯格观测器对执行器和传感器的故障进行估计,该方法的优点在于不需要故障检测和隔离单元。之后,基于观测器的观测值设计动态输出反馈控制器进行主动容错控制。最后,基于Lyapunov理论给出龙伯格观测器与动态输出反馈控制器的稳定性证明,并对不同构形下的可重构机械臂子系统进行仿真实验,验证了观测器与控制器的有效性。5.对全文内容进行了总结,并结合本文的研究结果,对进一步的研究进行了展望。
【关键词】：可重构机械臂 分散控制 龙伯格观测器 状态扩张观测器 LMI 主动容错控制
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP241
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 选题的研究背景及意义10
• 1.2 可重机械臂的国内外研究现状10-13
• 1.2.1 国外研究现状11-12
• 1.2.2 国内研究现状12-13
• 1.3 可重构机械臂主要研究内容13-16
• 1.3.1 模型建立与动力学控制13-15
• 1.3.2 故障诊断与容错15-16
• 1.4 本文主要研究内容16-18
• 第2章 可重构机械臂动力学模型建立18-28
• 2.1 引言18
• 2.2 可重构机械臂动力学模型的建立18-24
• 2.2.1 刚体的Newton-Euler方程18-19
• 2.2.2 基于Newton-Euler迭代算法的动力学模型19-24
• 2.3 可重构机械臂分散多故障动力学模型24-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第3章 可重构机械臂自适应神经网络分散控制28-44
• 3.1 引言28
• 3.2 自适应神经网络分散控制28-35
• 3.2.1 问题描述28-29
• 3.2.2 控制器设计及稳定性分析29-33
• 3.2.3 仿真研究33-35
• 3.3 基于观测器的自适应神经网络分散控制35-42
• 3.3.1 预备知识35-36
• 3.3.2 控制器设计及稳定性分析36-39
• 3.3.3 仿真研究39-42
• 3.4 本章小结42-44
• 第4章 可重构机械臂多故障并发主动容错控制44-56
• 4.1 引言44
• 4.2 龙伯格故障观测器设计44-51
• 4.2.1 问题描述44-45
• 4.2.2 预备知识45-46
• 4.2.3 龙伯格故障观测器设计46-49
• 4.2.4 主动容错控制器设计49-51
• 4.3 仿真研究51-55
• 4.4 本章小结55-56
• 第5章 总结与展望56-58
• 参考文献58-64
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果64-66
• 致谢66

【参考文献】

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本文编号：869494